PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE GOIS HIDROLOGIA APLICADA ENG

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS HIDROLOGIA APLICADA (ENG 2102) TURMA: A 02 Docente: João Guilherme Rassi Almeida 1 Goiânia 2013/2

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Ciência que estuda a água na Terra: ocorrência, circulação, distribuição e relação com o meio ambiente Hidrologia científica Hidrometeorologia Geomorfologia Escoamento superficial Interceptação vegetal Infiltração e escoamento (solo) Escoamento em canais, rios e reservatórios Evapotranspiração Produção e transporte de sedimentos Qualidade da água e meio ambiente 2

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Hidrologia Aplicada Uso dos recursos hídricos + Preservação do meio ambiente + uso e ocupação do solo Planejamento e gerenciamento da Bacia Hidrográfica (B. H. ) Abastecimento de água Drenagem Urbana Uso do solo Rural / Irrigação Aproveitamento hidroelétrico Controle de erosão Controle de poluição e qualidade do ar Navegação Recreação e preservação do meio ambiente 3

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Estudos Hidrológicos Baseiam-se em elementos observados e medidos em campo. Postos pluviométricos e fluviométricos Banco de dados (eventos hidrológicos) � Cota máx. de rios e reservatórios � Chuvas intensas � Precipitação média � Tipo de vegetação / solo / uso e ocupação do solo 4

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Carvalho e Silva (2006) Água Doce: não é totalmente aproveitada - inviabilidade técnica, econômica, financeira e de sustentabilidade ambiental Salinidade • Água salina ≥ 30‰. 5 • 0, 50‰ < Água salobra < 30‰ • Água doce ≤ 0, 50‰.

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Importância da água Necessidade mínima: 2000 m³ / (hab x ano) � Israel, Palestina, Jordânia, Líbia, Malta e Tunísia: 500 m³ / (hab x ano) Carvalho e Silva (2006) Banho 10 min – aprox. 96 L – 35 m³/ano População Mundial: 7, 2 bi (ESTADÃO, 2013) � 1950 à 2006 (população x 3) � 1950 à 2006 (consumo de água x 6) Carvalho e Silva (2006) 6

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Desperdício Cuiabá / MT: 53% de toda a água encanada São Paulo / SP: 45% (vazamentos e ligações clandestinas) Brasil – país mais abundante em água doce � 12% - reserva mundial � 18% - água superficial mundial Infraestrutura � 36% - moradias brasileiras não apresentam água de boa qualidade Carvalho e Silva (2006) 7

1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA 8

USOS MÚLTIPLOS DA ÁGUA Uso Consuntivo V_entrada > V_saída Qualidade ↓ Ex. : Abastecimento; Irrigação Uso não Consuntivo V_entrada = V_saída Ex. : Navegação; Geração de Energia 9

CICLO HIDROLÓGICO Evaporação Transpiração Condensação Precipitação Escoamento superficial Infiltração 10

PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA Vapor de água da atmosfera depositada sobre a superfície terrestre Ex. : chuva; granizo; neve; orvalho; geada; e neblina TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA Ciclônicas � Frontal � Não Frontal Convectivas Orográficas 11

TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA Ciclônicas � Longa duração � Baixa a média intensidade � Abrangem grandes áreas � Projetos de grandes bacias hidrográficas Ciclônicas – Não Frontal � Condensação devido a baixa pressão 12

TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA Ciclônicas - Frontal (UFOP) � Ocorrência + comum 13

TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA Convectivas � Regiões Tropicais � Grande intensidade � Curta duração � Pequenas áreas � Projetos de pequenas bacias (UFOP) 14

TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA Orográficas: o ar é forçado a transpor barreiras, abaixando a pressão (UFOP) 15

DISTRIBUIÇÃO CLIMÁTICA DO BRASIL Subtropical � Pm > 1250 mm � Tm = 18ºC Equatorial � Pm > 2000 mm � Tm = 24 a 26ºC Tropical � Úmido Pm = 1250 a 2000 mm Tm = 24 a 26ºC � Savanas Pm < 1500 mm Tm = 22ºC � Altitude Pm = 1500 mm Tm = 17 a 22ºC Semi-árido e Árido � Pm < 750 mm � Tm = 26 a 28ºC 16

MEDIDAS DE PRECIPITAÇÕES Altura pluviométrica � Lamina d’água precipitada em uma área impermeável � Unidade: mm Intensidade de Precipitação � Relação entre altura pluviométrica e duração da precipitação � Unidade: mm/h; mm/min Duração � Periodo de tempo contato desde o início até o fim da precipitação 17 � Unidade: horas; minutos

MEDIDAS DE PRECIPITAÇÕES - APARELHOS Pluviômetro Determina a altura pluviométrica • Funil impede a evaporação de água 18

MEDIDAS DE PRECIPITAÇÕES - APARELHOS Pluviógrafo: Leituras de precipitação em intervalos de tempo superiores a 5 min • Pluviograma fornece total precipitado no decorrer do tempo / importante no estudo de chuvas de curta duração 19

Pluviograma Tempo de Duração (min ou hora)? Total Precipitado (mm)? Intensidade da Chuva (mm/h)? Hietograma 20

Pluviograma Tempo de Duração (min ou hora)? Total Precipitado (mm)? Intensidade da Chuva (mm/h)? Hietograma 21

ANÁLISE DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS Posto pluviométrico objetivo de produzir uma série ininterrupta de precipitações ao longo dos anos, ou permitir o estudo da variação das intensidades ao longo das tormentas. Problemáticas períodos sem informações / falhas nas observações (problemas com os aparelhos de registro e/ou ausência do operador do posto) Análise preliminar dos dados Detecção de erros grosseiros ü i) registros em dias que não existem (30 de fevereiro, por exemplo); ü ii) registros de quantidades absurdas; 22 ü iii) erros de transcrição (preenchimento errado da caderneta de campo).

PREENCHIMENTO DE FALHAS Ø Método de ponderação regional Registros pluviométricos de pelo menos três estações climaticamente homogêneas (com um mínimo de dez anos de dados) e localizadas o mais próximo possível da estação que apresenta falha nos dados de precipitação. O método aplica-se somente para períodos grandes, como mês ou ano. Onde: Py precipitação a ser estimada para o posto Y; � Px 1; Px 2 e Px 3 precipitações correspondentes ao mês ou ano que se deseja preencher, observadas respectivamente nas estações vizinhas X 1, X 2 e X 3; � Py (barra) é a precipitação média do posto Y; � PX 1 , PX 2 e PX 3 (barra) precipitações médias nas três estações 23 circunvizinhas. �

PREENCHIMENTO DE FALHAS Método das Regressões Lineares Simples ou Múltiplas (um ou mais postos pluviométricos vizinhos) � Regressão linear simples as precipitações do posto com falha e de um posto vizinho são correlacionadas. / Critério de mínimos quadrados (R²) / Gráfico cartesiano são lançados os pares de valores correspondentes aos dois postos envolvidos e traçada a reta com melhor aderência à nuvem de pontos. � Método de ponderação regional baseado nas correlações com as estações vizinhas Regressões lineares entre o posto pluviométrico com dado a ser preenchido e cada um dos postos vizinhos. De cada uma das regressões lineares efetuadas obtém-se o coeficiente de correlação, r (r ≤ 1). 24 Os índices rx 1, rx 2 e rx 3 coeficientes de correlação das chuvas em Y e X 1, Y e X 2, e Y e X 3.

EXERCÍCIO Uma estação pluviométrica X esteve inoperante por alguns dias de um determinado mês. Neste mesmo mês, os totais precipitados em três estações vizinhas A, B e C foram 126 mm, 105 mm e 144 mm, respectivamente. Sabendo-se que as precipitações médias anuais nas estações X, A, B e C são, respectivamente, 1155 mm, 1323 mm, 1104 mm e 1416 mm, estimar o total precipitado, pelo método da ponderação regional, na estação X para o mês que apresentou falhas. 25

ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES PLUVIOMÉTRICAS – DUPLA MASSA Após o preenchimento da série pluviométrica é necessário analisar a sua consistência dentro de uma visão regional, isto é, comprovar o grau de homogeneidade dos dados disponíveis num posto com relação às observações registradas em postos vizinhos. Método da Dupla Massa válido em séries mensais e anuais Construir em um gráfico cartesiano uma curva duplo acumulativa, relacionando os totais anuais (ou mensais) acumulados do posto a consistir (nas ordenadas) e a média acumulada dos totais anuais (ou mensais) de todos os postos da região (nas abscissas), hipoteticamente considerada homogênea do ponto de vista hidrológico Se os valores do posto a consistir são proporcionais aos observados na base de comparação, os pontos devem-se alinhar segundo uma única reta. 26

Dados de chuva sem problemas de consistência (Estação Brecha – região de Ouro Preto, MG) Erros sistemáticos ou Alterações climáticas no local provocadas, por exemplo, pela construção de reservatórios artificiais. Dados com mudança de tendência Retas Paralelas - Exemplo de presença de erros de transcrição ou comparação de postos com diferentes regimes pluviométricos 27

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA Interesse em conhecer a precipitação que cobre toda uma área, e não exatamente os valores pontuais Para calcular a precipitação média é necessário utilizar as observações dentro da área de interesse e nas suas vizinhanças. Métodos �método aritmético �método de Thiessen �método das isoietas. Os métodos podem ser utilizados para um temporal isolado, para totais mensais precipitados ou para 28 os totais anuais.

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA MÉTODO ARITMÉTICO Recomenda-se o uso deste método: � bacias menores que 5. 000 km²; � a distribuição dos aparelhos na bacia for densa e uniforme; � área plana ou de relevo muito suave (para evitar erros devidos a influências orográficas) � as medidas individuais de cada aparelho devem variar pouco da média P (barra) precipitação média na bacia N numero de estações 29 Pi alturas de pluviométricas em cada estação (i = 1, 2, 3, . . . , N).

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA MÉTODO DE THIESSEN Aspectos deste método: � Bons resultados mesmo para uma distribuição não uniforme dos aparelhos � Útil em terrenos planos ou levemente acidentados. � Cálculo automatizado uma vez conhecida a rede de pluviômetros, os valores de Ai permanecem constantes, mudando apenas as precipitações Pi. � Mais preciso do que o aritmético, contudo o método de Thiessen também apresenta limitações, pois não considera as influências orográficas. 30

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA MÉTODO DE THIESSEN Para cada estação define-se uma área de influência dentro da bacia (ex: posto pluviométrico i tem-se a área Ai, tal que ΣAi = Atotal) Precipitação média ponderada (peso este representado pela área de influência) Traçado das áreas de influência mapa topográfico � Une-se os postos adjacentes por segmentos de reta (realizando triangulações) e � Traça-se as mediatrizes desses segmentos formando polígonos � Os lados polígonos (ou divisor da bacia) são os limites dentro da bacia das áreas de influência das estações 31

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA MÉTODO DE THIESSEN 32 Fonte: Hiroshi P. Yoshizane

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA MÉTODO DAS ISOIETAS Método mais preciso para a avaliação da precipitação média em uma área. Contudo, depende da habilidade do analista em traçar o mapa das isoietas. Em vez de pontos isolados de precipitação, utilizam-se as curvas de igual precipitação (isoietas). Traçado das curvas semelhante ao traçado de curvas de nível, onde a altura de chuva substitui a cota do terreno A precipitação média sobre uma área é calculada multiplicando-se a precipitação média entre isoietas sucessivas (normalmente fazendo-se a média dos valores de duas isoietas) pela área entre as isoietas, totalizando- 33 se esse produto e dividindo-se pela área total

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA MÉTODO DAS ISOIETAS 34

EXERCÍCIO O Método das Isoietas é utilizado para obter a precipitação média em uma bacia hidrográfica. Calcular a precipitação média da bacia hidrográfica abaixo, segundo este método: Isoietas 75 -80 80 -85 85 -90 90 -95 Total Pm Área (km²) Precipitação med (mm) Precipitação Ponderada (mm) - 35

ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DOS DADOS DE CHUVA Precipitação é um processo aleatório. Previsão de precipitação geralmente é realizada com base na estatística de eventos passados. Estudos estatísticos freqüência e magnitude probabilidades teóricas de ocorrência. Magnitude de enchentes � a) projetos de vertedores de barragens; � b) dimensionamento de canais; � c) definição das obras de desvio de cursos d’água; � d) determinação das dimensões de galerias de águas pluviais; � e) cálculo de bueiros, etc. Estiagem projetos de irrigação e de abastecimento de 36 água.

ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DOS DADOS DE CHUVA Séries de dados: � a) série total: os dados observados são considerados na sua totalidade; � b) série parcial: constituída por alturas pluviométricas superiores a um valor-base, tomado como referência, independentemente do ano em que possa ocorrer; � c) série anual: constituída pelas alturas pluviométricas máximas de cada ano, no caso de série anual de chuvas máximas diárias, ou pelos totais anuais precipitados caso a série seja de totais anuais. 37

FREQUÊNCIA Freqüência número de ocorrências igualadas ou superadas de uma dada chuva (de intensidade io e duração td) no decorrer de um período de observação de n anos. Ex. : Observações durante 31 anos. Neste período, uma chuva que foi igualada ou superada 10 vezes tem a freqüência de 10 em 31 anos. Isto corresponde a uma probabilidade P{i ≥ io}=32, 3% de ocorrer em um ano. Colocar em ordem decrescente os dados da série (parcial ou anual) e a cada valor atribuir o seu número de ordem m. A freqüência com que é igualado ou superado o evento de magnitude io e ordem m é dada por: a) no método Califórnia, b) no método de Weibull, 38 onde n é o número de anos da série.

PERÍODO DE RETORNO Período de retorno (Tr) ou intervalo de recorrência intervalo de tempo médio, medido em anos, em que um evento de uma dada magnitude é igualado ou superado pelo menos uma vez. Ex. : Evento X (chuva ou vazão) de magnitude x 0 ocorre ao menos uma vez em Tr anos, tem-se Período de retorno inverso da probabilidade de excedência. 39

EXERCÍCIO Ano Pm (mm) 1994 45 1995 90 1996 35 1997 25 1998 20 1999 50 2000 60 2001 65 2002 70 2003 80 N m Pm (mm) F (ordem califór decrescen mia te) Tr F Tr califor (kimba nia l) l) 40

ANÁLISE DAS CHUVAS INTENSAS Chuvas intensas ou precipitações máximas intensidades ultrapassam um determinado valor mínimo. As principais características das chuvas intensas são a sua intensidade, sua distribuição temporal (duração) e espacial, e sua frequência de ocorrência. Aplicação: projetos de obras hidráulicas (vertedores de barragens, sistemas de drenagem, galerias de águas pluviais, dimensionamento de bueiros, entre outros). Tendências: � Maior a intensidade (i) menor a duração da chuva intensa (td) � Maior a intensidade maior o período de retorno � Maior a área de abrangência menor a intensidade 41

Áreas de drenagem até aproximadamente 25 km² informações pontuais podem ser utilizadas em cálculos cobrindo a extensão da área dentro do limite citado. Para áreas maiores, aplicam-se fatores de redução em função da área e da duração da chuva 42

CURVAS DE INTENSIDADEDURAÇÃO E FREQUÊNCIA (ID -F ) 43

CURVAS DE INTENSIDADEDURAÇÃO E FREQUÊNCIA (I- As curvas também podem ser expressas por equações genéricas. D -F ) i = intensidade (mm/h); Tr = período de retorno (anos) td = duração da chuva (minutos) K, c, m e n = parâmetros de ajuste (determinados para cada local). Obs: Análise entre Pluviômetro e Pluviógrafo? (td? ) 44

BIBLIOGRAFIA PRINCIPAL CONSULTADA BARBOSA JUNIOR, A. N. APOSTILA DE HIDROLOGIA APLICADA. DISPONÍVEL EM: < HTTP: //WWW. EM. UFOP. BR/DECIV/DEPARTAMENTO/~CARLOSEDU ARDO/INDEX. PHP? MENU=3&DISC=65 >. ACESSADO EM: 08/2012. 45